Цивилизация
Засилье на улицах городов мальчиков и девочек, таскающих на шее внезапно ставшие доступными цифровые зеркальные фотоаппараты, вызывает улыбки. Конечно, право на самовыражение имеет каждый, однако профессиональные фотографы, которыми мнят себя молодые фотострелки, – это не только талант и упорный труд, но еще и вагон и маленькая тележка бешено дорогого оптического оборудования.
Есть ли в нем необходимость? Неужели нельзя обойтись обычным объективом с двумя-тремя линзами, если человеческий глаз имеет и того меньше – одну?
Отличие человеческого глаза от рукотворной оптики состоит, во-первых, в необычайно высокой чувствительности и разрешающей способности сетчатки. Однако её цифровые аналоги – полупроводниковые детекторные матрицы (приборы с зарядовой связью, ПЗС- или CCD-) — потихонечку подбираются к биологическому прототипу, наращивая чувствительность и количество мегапикселов.
Вторым, гораздо более важным отличием является сферическая форма сетчатки. А вот матрицы всех современных оптических устройств плоские.
Сфокусировать изображение на такой плоский детектор с помощью выпуклых и вогнутых круглых линз невозможно без искажений, которые возникают на их краях. Для минимизации этих искажений или, как говорят оптики, аберраций применяются системы из нескольких линз. Это сильно усложняет технику, а значит, и удорожает фото- и кинообъективы, а также делает их громоздкими.
Кроме того, даже применение специальной технологии просветления оптики не позволяет избежать затемнения снимков из-за потерь света на каждой поверхности линзы. В результате цифровое изображение становится менее ярким и насыщенным. Потому мешок специализированных объективов, который фотограф таскает с собой повсюду, – это способ поиска компромисса между геометрической и цветовой достоверностью изображения.
Решение проблемы напрашивается само собой – нужно всего лишь сделать цифровую матрицу сферической.
Именно этому и посвящена работа Джона Роджерса из Университета штата Иллинойс в Урбане-Шампэйн и его коллег из Северо-Западного университета, опубликованная в свежем номере журнала Nature.
Почему, казалось бы, чисто технологическая работа заслужила такое пристальное внимание научной общественности? Ученые и инженеры уже давно понимали необходимость перехода от планарной к криволинейной оптике, вот только не могли определиться со стратегией такого перехода.
Современная микроэлектронная промышленность нацелена полностью на создание планарных электронных цепей с помощью литографии и травления кремниевых пластин. Все современные микрочипы и полупроводниковые матрицы кино- и фотообъективов создаются на основе подобной планарной технологии.
В принципе, этой методики уже оказывалось достаточно, чтобы из изогнутой пластины высокочистого кремния вытравить сферическую электрическую цепь. Однако затраты на адаптацию методики и её реализацию оказались, мягко говоря, неадекватными.
Существуют и другие подходы, например, использование способности кремниевых пластин к некоторой пластической деформации, самосборка матрицы из массива отдельных миниатюрных микрочипов, применение эластичных мембран. Все эти подходы продемонстрировали свои достоинства и недостатки, и все они требуют определенных технологических ухищрений для проведения тонких работ непосредственно на искривленной поверхности. Это и является главным недостатком, тормозящим развитие технологий.
Роджерс и его команда предложили иной, гораздо более универсальный и элегантный подход к решению наболевшей проблемы.
Их светочувствительная матрица построена из отдельных микродетекторов, соединенных тонкими полосками золотой фольги.
Массив фотодетекторов вытравливается на кремниевой пластине, которая после завершения формирования отдельных детекторов и блокирующих плоскостных диодов полностью стравливается. Для того чтобы вся система микрочипов и проводов при этом не разлетелась, она удерживается на полимерной полиимидной подложке. Процедура создания такого массива укладывается в современные стандартные возможности микроэлектроники.
Сферическая же форма матрицы задается следующим образом: берется тонкая эластомерная полидиметилсилоксановая мембрана, которая формуется в виде полусферы. Затем тонкое механическое приспособление растягивает эту мембрану так, что она становится совершенно плоской и натянутой, как кожа бубна или барабана. На эту плоскую поверхность накладывается заранее заготовленный массив из микродетекторов, соединенных золотыми проводками. После этого натяжение эластомерной мембраны ослабляют, и она возвращает себе исходную сферическую форму, заодно и немного сокращаясь по площади.
Таким образом мембрана придает сферическую форму и массиву микрочипов, а накладываемые на массив деформационные напряжения компенсируются изгибами золотых контактов, которые за счет уменьшения площади мембраны дугами выгибаются над поверхностью полидиметилсилоксана и полностью компенсируют деформационное напряжение на матрицу. Такая, казалось бы, простая до слез технология на самом деле потребовала не самого тривиального математического расчета.
Затем уже сформированный массив фоточувствительных детекторов переносится на стеклянную подложку подходящей формы и размера.
Остается только добавить в систему линзу, а так же присоединить пассивную полупроводниковую матрицу к внешней электрической цепи — и камера размером с человеческий глаз готова.
Пока, правда, экспериментальный образец имеет всего 256 светочувствительных элементов, но все мы хорошо знаем, как быстро современная технология позволяет нарастить это число до нескольких миллионов.
Перспективы использования такой искривленной светочувствительной матрицы колоссальны. Во-первых, обрадуются новинке профессиональные деятели кино- и фотоиндустрии, так как теперь получить изображение широкого формата без искажений станет намного проще.
Во-вторых, существенно потерявшие в весе и размере такие оптические элементы могут стать прототипами для создания оптической системы различных автономных роботов и телеуправляемых беспилотных модулей. На ум, конечно, приходит металлический эндоскелет, покрытый живой оболочкой, однако, к примеру, оптические системы тех же самых глубоководных обитаемых и телеуправляемых аппаратов, о которых нам рассказывал Анатолий Михайлович Сагалевич, нуждаются в более совершенных, легких и малогабаритных решениях.
На самом же деле подход к созданию сгибаемой и растягиваемой электроники, продемонстрированный специалистами из Иллинойса, позволяет создавать куда более сложные устройства, чем просто сферические фотодетекторы. Например, биоимплантанты для живых тканей, которые часто подвергаются деформации, сенсорные элементы для «кожи» тех же роботов, да и вообще любые «умные» поверхности, которые могут использоваться для взаимодействия с людьми и всем, что их окружает.
Сами создатели, например, всерьез заявляют о возможности создания растягиваемой и сжимаемой электронной чувствительной поверхности, которая в один прекрасный день сможет быть имплантирована в человеческий мозг для отслеживания электронных импульсов, блуждающих в коре. Вот вам и сюжет другого известного блокбастера. Фантазировать здесь, как видите, можно долго и продуктивно, однако лучше подождать первых технических новинок с применением технологии растягиваемой электроники.